邯郸市西部太行山区崩滑流灾害孕灾地质条件分析

葛黎龙 吴建辉

(河北省地质矿产勘查开发局第一地质大队 邯郸 056001)

1 引言

地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的,对人类生命财产造成的损失、对环境造成破坏的地质作用或地质现象。讨论地质灾害的形成孕灾地质条件、时空分布等特征,对地质灾害评价研究具有重要意义。

随着GIS技术、数学理论分析等手段的快速发展,地质灾害评价研究方法已日趋成熟。陈绪钰等[1]针对三峡库区的地质灾害情况,采取加权信息量和迭代自组织聚类相结合的手段,对地质灾害的易发性评价及分区进行分析,完善了地质灾害易发性评价理论体系;刘宇恒等[2]使用层次分析法,结合遥感资料,对茂县斜坡地质灾害进行了易发性评价、分级,其评价结果精确度较高;王森等[3]应用分形理论对南江县滑坡敏感性进行分析,绘制滑坡易发性区划图。

邯郸市西部太行山区总面积4460 km2,占全市面积的37.02%,境内地质环境条件复杂,降雨时空分布差异大,加之近年来极端天气气候事件频发,致使山区崩滑流等地质灾害日趋强烈,给邯郸市的国民经济建设及社会安定造成威胁。本文以邯郸市西部太行山区为研究区,采用层次叠加法,对地质灾害孕灾因子分析研究,可深化对地质灾害形成机理、规律认识和地质灾害隐患判识,对太行山区的地质灾害评估、防治和风险管控具有重要意义。

2 研究区概况

研究区位于太行山东麓向华北平原过渡区域,行政区划包括涉县、武安、峰峰矿区的全部及永年、复兴区、磁县的部分区域。大地构造处于山西断隆太行山拱断束中的武安凹断束,区内先后经历多次地壳升降运动,基本奠定了本区构造轮廓、特征和地形地貌,形成了自东向西以太行山前大断裂、鼓山-紫山断裂、柳家河断裂、涉县断裂等北北东区域性构造为主的断裂带,这些断裂带的主要表现为上盘下降的正断层,倾角较陡,规模较大,长几十至数百公里,宽几米至几十米;在构造发育区,山区的岩土体高角度裂隙发育,裂隙常呈密集网状,在暴雨诱发下极易形成滑坡、崩塌地质灾害。

同时,受断裂及和河流长期侵蚀切割的影响,研究区地形地貌复杂多变,形式多样,自西向东分布有中山、低山、丘陵、盆地等地貌单元。中山主要分布于西北部武安市活水-管陶-贺进及涉县的辽城-偏城-西达-合漳乡一带,地貌上总体呈现出沟深谷狭、脊坡陡峭、相对高差大等特点。低山区广泛分布于中部地区,以侵蚀作用为主,山顶较浑圆,山体切割较浅,斜坡坡度多在20°～50°,“V”型和“U”型沟谷并存。丘陵区呈条带状分布于山前东部地区,地形起伏趋缓,属坡积-洪积山前盆地。盆地主要有武安盆地、涉县盆地、阳邑盆地和和村盆地,盆地边缘中低山标高约800 m,盆地中部标高140～200 m,相对高差约500 m。

区内出露的主要地层有中元古界长城系,古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系,中生界三叠系和新生界第四系。其中,长城系砂岩、页岩等碎屑岩类呈北西向条带状出露于清漳河、浊漳河沿岸及北洺河上游分布;寒武系及奥陶系灰岩、白云岩、泥质灰岩、碎屑灰岩等碳酸盐岩在区内广泛分布;石炭系、二叠系的煤系地层则主要分布于武安盆地、和村盆地及太行山前的缓丘地区,新近系、三叠系砾岩、砂岩、泥岩主要分布于紫山、鼓山附近,第四系松散沉积物分布于山间河谷和山前地带(图1)。

图1 研究区地质环境条件及地质灾害分布图

研究区内水系主要有漳河、滏阳河、洺河,均为山溪河流,同属海河流域。漳河发源于山西省,上游有清漳河和浊漳河两条支流,境内河长约215 km,流域面积1610 km2。滏阳河发源于邯郸市峰峰矿区和村镇,先后有牤牛河、渚河、沁河、输元河、洺河汇入,区内流域面积2850 km2。其中,洺河是滏阳河的较大支流,上游有南洺河、北洺河两条支流,流域面积2230 km2。

3 地质灾害发育分布概况

截止2020年,邯郸市西部山区共发育崩塌58处、滑坡12处、泥石流35处,共威胁人口约840户3000余人,房间约3140间。崩塌、滑坡主要集中于西北部的武安市活水-管陶-贺进、南部涉县合漳乡-磁县贾壁乡一带,规模多以小型为主。泥石流主要集中发生在清漳河及支流东枯河两侧的侵蚀构造中低山区,规模多以中小型为主(表1)。

表1 邯郸市崩滑流地质灾害数量统计表(单位:处)

4 孕灾地质条件分析

据邯郸市地质灾害调查数据及多年汛期巡排查资料分析,致使区内崩滑流灾害发生的主要孕灾地质因子是地形地貌,其次为地层岩性和地质构造。

4.1 崩塌和滑坡孕灾地质条件

(1)地形地貌

地形地貌为是地质灾害类型和规模的主控因素,其地形坡度、地势起伏度、高程等与崩塌、滑坡发育相关性都较好。

利用研究区的DEM数据以10°分带进行,提取各灾害点的坡度信息数据,崩塌发育坡度大于60°的有48处,占崩塌总数的82.75%,密度最大为12处/km2;60°以下的斜坡上崩塌发育10处,占崩塌总数的17.24%,密度为0.24个/km2(图2)。统计表明斜坡坡度60°以上时,最有利于崩塌发育,坡度明显改变斜坡的应力分布状态,隧着坡度的增大,临空的危势和斜坡体内应力越大,斜坡越易产生变形破坏,当坡度变为缓时,崩塌发生概率降低,直至不再发生。

图2 崩塌、滑坡与地形坡度关系图

滑坡发育坡度主要集中于30°～39°,发育滑坡5处,占滑坡总数的41.67%,密度最大为0.048处/km2。具有以30°～39°为中心,向两侧滑坡发育随坡度变化规模变小的趋势(图2)。统计表明:一般小于30°的斜坡,覆盖层稳定,滑坡发生概率降低;斜坡30°～39°时,覆盖层稳定性降低,当降雨时,雨水沿土体或基覆界面下渗,降低岩土接触面的力学性质而形成滑坡灾害。因此,在30°～39°的斜坡上易形成滑坡;当斜坡大于40°时,不利于松散物质堆积,不易形成滑体。

地势起伏度(某一确定面积内最高点和最低点海拔高度之差)综合反映了地形切割、高低起伏的程度。研究区崩塌集中发育于起伏度在<20 m及>60 m范围,数量分别为16处和19处,分别占本区崩塌总数的27.58%、32.76%。其中,<20 m地形起伏度区间主要对应于黄土发育地区,指示崩塌主要与黄土发育有关,且多与人类工程活动有关;当起伏度大于60 m时,则多为岩质崩塌。滑坡发育区的地形起伏度集中在40 m以下范围,发育滑坡7处,占本区滑坡总数的58.33%,指示滑坡主要与黄土或第四系残坡积物的堆积有关(图3)。

图3 崩塌、滑坡与地形起伏度关系图

斜坡坡向对崩塌、滑坡的形成、分布和活动强度也有一定影响。根据阳光照射时间,把斜坡朝南方向(90°～270°)称为阳坡,朝北方向(270°～360°、0°～90°)称为阴坡。研究区内崩塌在阳坡发育39处,占比67.24%;阴坡发育19处,占比32.76%;滑坡在阳坡发育10处,占比83.33%;阴坡发育2处,占比16.67%(图4)。阳坡和阴坡比较,阳坡上具有降水量偏多、冰雪消融快、植被生长茂盛、昼夜温差大、岩石更易风化等有利条件,故阳坡发育崩滑灾害点数远多于阴坡。

图4 崩塌、滑坡与斜坡坡向关系图

高程是崩塌、滑坡地质灾害发育类型的重要影响因素之一。研究区内崩塌、滑坡发育高程多在500～750 m范围内,恰好也是地壳抬升过程中河谷地貌演化的应力最大释放区,这一高程区间内断裂构造发育,应力集中,岩体更为破碎,沟谷切割强烈、地形条件也较复杂,工程地质条件较差,所以更易发育崩塌、滑坡(图5)。

(2)地层岩性

研究区内主要易崩易滑地层由新至老为:第四系松散土体、寒武系及奥陶系碳酸盐岩、长城系碎屑岩。经统计,区内发育于寒武系、奥陶系碳酸盐岩的崩塌31处,占崩塌总数的53.44%;发育于长城系碎屑岩的崩塌20处,占崩塌总数的34.45%;而滑坡主要发育于第四系残坡积层中(图6)。

图6 崩滑灾害地层岩性孕灾条件统计分析

区内出露的以寒武系及奥陶系碳酸盐岩分布面积最广,其裸露区面积达1900 km2,占山区总面积的40%左右,岩性以灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、碎屑灰岩为主,夹薄层页岩,岩层倾角一般较缓。受侵蚀作用,山顶多呈浑圆状,地层倾角较缓,故境内发育滑坡较少;而在构造发育地段,地形相对陡峭,且岩体中下部泥质灰岩抗风化能力弱,易形成岩腔,在重力作用下,被卸荷裂隙或构造裂隙切割为块状岩体,因重心不稳而产生崩塌。

长城系碎屑岩主要沿清漳河及北洺河上游呈带状分布,岩性主要为砂岩、页岩,受地质构造及风化剥蚀影响,山体多为长垣状或单斜状,地貌上常呈悬崖峭壁,高角度裂隙发育呈密集网状,而下部页岩夹层则多形成岩腔,在暴雨诱发下极易形成崩塌地质灾害。

第四系残坡积层分布于山前地带,其中厚薄不一,结构松散,物理力学强度低,遇水易软化,常在斜坡中下部产生浅表滑坡;黄土及黄土状土分布于山间河谷,由于土体结构疏松,孔隙率高,垂直节理发育,在人类活动(切坡建房、道路修建等)的影响下,常产生崩塌。

(3)地质构造

在研究区北部和南部的构造应力集中区,岩层破碎,节理裂隙常呈密集网状,崩塌、滑坡发育。统计研究区内崩滑灾害的分布与断层距离之间的关系(表2),区内绝大多数崩塌、滑坡地质灾害距离断裂带在500 m内;不同构造影响范围有所不同,这主要取决于断层或褶皱的活动性,对活动性强的区域性构造而言,其影响范围可达2.5 km以上,活动性弱、规模较小的次级断层及主要褶皱其影响范围仅0.5 km左右。

表2 地质构造与崩滑地质灾害点关系统计表

4.2 泥石流灾害孕灾地质条件特征

(1)地形地貌

邯郸市西部太行山区泥石流的形成有其独特的地形地貌条件约束,主要表现在其沟谷上游形成区一般为三面环山,一面敞开的“圈椅”地形,周围山高坡陡,植被生长不良,有利于水和碎屑固体物质聚集;流通区的地形多为狭窄陡深的峡谷,沟床纵坡降大,沟谷形态多以V型为主,占比65.6%;下游堆积区地形多平坦开阔,便于碎屑物质的堆积。

研究区泥石流多形成在集水面积较小的沟谷,面积为0.2～5 km2者最易产生,发育泥石流24处,占泥石流总数的68.57%,小于0.2 km2和5～10 km2发育泥石流分别为4处、6处,占比分别为11.42%、17.14%;汇水面积大于10 km2以上者较少(图7),此外集水面积越大,中型以上泥石流占比越高。

图7 泥石流集水面积统计

沟床纵坡降是影响泥石流形成、运动特征的主要因素,沟床纵坡降越大,越有利于泥石流的发生。研究区内比降在10.5%～21.3%的发生频率最高,发育泥石流17处,占比48.57%;比降大于21.3%的其次,发育15处,占比42.85%;其余发生频率较低(图8)。而纵坡降和高程差有着密切的关系,泥石流流域范围内的相对高差体现了流域内地形条件变化特征,为物源流通提供势能,研究区内94%以上的泥石流的相对高差超过100 m(图9)。

图8 泥石流沟床纵坡降统计

图9 泥石流流域相对高差统计图

利于提供固体物质的沟谷坡度一般15°～30°之间(图10),该斜坡共发育泥石流32处,占泥石流总数的91.42%;小于15°的斜坡发育2处,占总数的8.57%。在15°～30°之间的斜坡,主要为第四系残坡积物及人工梯田,为泥石流提供的松散物质来源。

图10 泥石流沟坡坡度统计图

(2)地层岩性

清漳河两岸广泛分布长城系、寒武系及奥陶系、第四系地层,致灾地层主要为软弱岩层及覆盖层,软弱岩层主要是页岩、泥质灰岩、软弱岩与硬岩组合,覆盖层主要为残坡积层、黄土、风化岩层组合。

对区内35个泥石流沟内物源斜坡结构及主要致灾地层组合进行分析(表3),泥石流在松散岩类分布区最发育,共计18处,占泥石流总数的51.43%。松散岩类土体主要由第四系残坡积、崩积、冲洪积的碎石土、卵石土、块石、砂土堆积等组成,结构比较松散,为泥石流的发育提供了丰富的物源;其次为风化节理发育的碳酸盐岩区和碎屑岩区,分别为11处、6处,分别占泥石流总数的31.43%、17.14%,其残坡积层、风化岩层或软弱致灾地层组合的崩塌、滑坡灾害体为泥石流的主要物源,特别是在海拔500 m山区,山体陡峭,岩体更为破碎,沟谷切割强烈,提供的松散物质也多,甚至在暴雨条件以灾害链的形式补给泥石流。

表3 地层岩性与泥石流地质灾害点关系统计表

(3)地质构造

研究区内地质构造发育,而在构造应力集中区,岩体破碎、结构疏松,宽度可达数十条至数百米,常成为泥石流丰富的固体物源。从表4可看出,在南部地区,由于分布有较多的地质构造,成为邯郸市西部太行山区泥石流分布密度最高的地带。

表4 地质构造与泥石流灾害点关系统计表

除上述地形地貌、地质构造和地层岩性与泥石流固体物源的丰度有直接关系外,人类工程活动越强烈,人工堆积的松散层也就越多,研究区内大部分沟道内均有耕作的梯田,厚度0.5～2.0 m,结构松散,易吸水饱和,在强降雨汇流渗透冲刷下产生浅表土质滑坡,沿山坡下滑到坡脚、沟道形成物源;另外,一些铁矿的矿产资源开发、废弃的矿渣、废石也是泥石流固体物质的来源之一。

5 孕灾地质条件分区

5.1 评价因子选取

地质灾害是多种因素共同作用的结果,可能同时受到内部与外部等多种因素的共同作用,不同地区地质灾害孕灾条件及发育特征是不同的,并且地质灾害的诱发因素相互交错,难以独立分析,甚至难以量化考核。本次研究从地质灾害发育特征入手,通过分析主控孕灾地质条件,选取地形坡度、地势起伏度、斜坡高程、斜坡坡向、地层岩性、地质构造等六方面因素作为评价因子。利用GIS空间分析功能在处理多因子、多图层叠加处理评价方面的优势,最终建立邯郸市西部太行山区地质灾害危险性评价模型(图11)。

图11 评价体系结构图

5.2 评价因子权重的确定

权重是表征各评价因子对地质灾害发生贡献大小的量化值,本次运用yaahp层次分析法软件构建判断矩阵,计算各指标因子的权重。

对选取的6项评价因子,根据其对于地质灾害发生的重要性,进行两两比较,采用1～9标度法,将相对重要性的值转化为矩阵(表5)。

表5 评价因子重要性判断矩阵

根据构建的判断矩阵,利用方根法计算矩阵的最大特征根λmax=8.1986,对应的特征向量ω=(0.3417,0.1067,0.0608,0.0739,0.2411,0.1758)。一致性比例CR=0.0272,满足一致性检验要求。而特征向量就是各评价因子权重组成的向量(表6)。从权重的大小可以看出,地形坡度、地层岩性权重最大,因而对于地质灾害发生的影响程度最大。

表6 各因素在评价中的权重

5.3 孕灾地质条件分区

应用ArcGIS软件空间分析功能,对各影响因素专题图的绘制和子专题图的叠加,在定量计算分级分区的基础上,综合考虑各种因素,以“区内相似、区间相异”为原则,进行栅格综合、模糊边界、图形融合等处理,消除异小图斑,修改完善后最终形成地质灾害孕灾条件分区图(图12)。最终将全区划分为西部清漳河峡谷区(Ⅰ)、西北部中山区(Ⅱ)、南部低山丘陵区(Ⅲ)、东部山前低丘盆地区(Ⅳ)四个分区。

图12 地质灾害孕灾条件分区图

(1)西部清漳河峡谷区(Ⅰ)

为地质灾害高易发区,区内地质条件较为复杂,地质构造较发育,地貌上总体呈现出沟深谷狭、脊坡陡峭、相对高差大等特点,沿线分布有寒武系及奥陶系碳酸盐岩、长城系碎屑岩地层,人类工程活动较为强烈。区内地质灾害类型以泥石流为主,崩塌次之,受人类工程活动影响,具面上松散分布、规模较大、局部相对集中的特点。

(2)西北部中山区(Ⅱ)

为地质灾害高易发区,区内地质条件复杂,地质构造发育,地貌上呈现地形陡峻,起伏度大特点,广泛分布有长城系碎屑岩类地层,岩石节理裂隙密集发育。区内地质灾害类型以崩塌为主,滑坡其次,具有数量多、密度大、规模小的特点。

(3)南部低山丘陵区(Ⅲ)

为地质灾害中易发区,区内地质条件相对简单,地质构造较发育,地形起伏小,山顶较浑圆,斜坡坡度多在20°～50°,广泛分布寒武系及奥陶系碳酸盐岩地层,区内地质灾害类型以崩塌为主,滑坡、泥石流次之,具有规模小、松散分布的特点。

(4)东部山前低丘盆地区(Ⅳ)

为地质灾害低易发区,该区地势平坦,地质条件简单,地质灾害不发育,局部地区受人工切坡影响而形成小型土质崩塌灾害。

6 结论

基于邯郸西部太行山区105处崩滑流灾害的的孕灾地质条件数据分析,主要得出以下结论:

境内崩滑流地质灾害主要受地形地貌、地层岩性及地质构造共同作用的影响,时空分布具有明显的分区特征,崩塌、滑坡主要集中于西北部的武安市活水-馆陶-贺进、南部涉县合漳乡一带。泥石流主要集中于清漳河及支流东枯河两侧。

受地形地貌影响,岩质崩塌集中发育于坡度60°以上、高程500～750 m、地形起伏度60 m以上高陡斜坡;土质崩塌受人类工程活动影响,发育于坡度60°以上、地形起伏度20～30 m的高陡斜坡区;而滑坡发育坡度主要集中于坡度30°～39°、高程500～750 m、地形起伏度40 m以下的缓坡区。区内崩塌多发育寒武系奥陶系碳酸盐岩及长城系碎屑岩地层;滑坡主要发育于第四系残坡积层。崩塌、滑坡一般距离断裂带在1000 m内。

地形地貌是孕育泥石流主要的地质条件,集水面积0.5～5 km2者最易产生泥石流,沟床纵坡降在10.5%～21.3%的发生频率最高,利于提供固体物质的沟谷坡度15°～30°。第四系残坡积碎石土、沿沟道堆积的松散物是泥石流主要物质来源。

结合研究区地形地貌、地层岩性及地质构造等主要孕灾因子,划分为4大孕灾地质条件区,并详细阐述了不同孕灾区内地质环境条件、地质灾害发育特征等,对地质灾害评估、综合防治具有重要意义。